NIO网络编程

Netty学习之NIO基础 - Nyima's Blog

1、阻塞

阻塞模式下，相关方法都会导致线程暂停
- ServerSocketChannel.accept 会在没有连接建立时让线程暂停
- SocketChannel.read 会在通道中没有数据可读时让线程暂停
- 阻塞的表现其实就是线程暂停了，暂停期间不会占用 cpu，但线程相当于闲置
单线程下，阻塞方法之间相互影响，几乎不能正常工作，需要多线程支持
但多线程下，有新的问题，体现在以下方面
- 32 位 jvm 一个线程 320k，64 位 jvm 一个线程 1024k，如果连接数过多，必然导致 OOM，并且线程太多，反而会因为频繁上下文切换导致性能降低
- 可以采用线程池技术来减少线程数和线程上下文切换，但治标不治本，如果有很多连接建立，但长时间 inactive，会阻塞线程池中所有线程，因此不适合长连接，只适合短连接

服务端代码

public class Server {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
        // 获得服务器通道
        try(ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            // 为服务器通道绑定端口
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 用户存放连接的集合
            ArrayList<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
            // 循环接收连接
            while (true) {
                System.out.println("before connecting...");
                //建立与客户端连接, SocketChannel 与客户端进行通信
                //没有连接时，会阻塞线程
                SocketChannel socketChannel = server.accept();
                System.out.println("after connecting...");
                channels.add(socketChannel);
                // 循环遍历集合中的连接
                for(SocketChannel channel : channels) {
                    System.out.println("before reading");
                    // 接/处理通道中的数据
                    // 当通道中没有数据可读时，会阻塞线程
                    channel.read(buffer);
                    buffer.flip();
                    //调试打印出来
                    ByteBufferUtil.debugRead(buffer);
                    buffer.clear();
                    System.out.println("after reading");
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

客户端代码

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        try (SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open()) {
            // 建立连接
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
            System.out.println("waiting...");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行结果

客户端-服务器建立连接前：服务器端因accept阻塞
客户端-服务器建立连接后，客户端发送消息前：服务器端因通道为空被阻塞
当通道中没有数据可读时，会阻塞线程 channel.read(buffer);

客户端发送数据后，服务器处理通道中的数据。再次进入循环时，再次被accept阻塞

之前的客户端再次发送消息，服务器端因为被accept阻塞，无法处理之前客户端发送到通道中的信息,accept只有建立新的连接才会继续执行,当有一个新的连接时,才会接收到之前客户端发送的消息,如果没有新的连接,线程会一直阻塞在accept

2、非阻塞

可以通过ServerSocketChannel的configureBlocking(false)方法将获得连接设置为非阻塞的。此时若没有连接，accept会返回null
可以通过SocketChannel的configureBlocking(false)方法将从通道中读取数据设置为非阻塞的。若此时通道中没有数据可读，read会返回-1

服务器代码如下

public class Server {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
        // 获得服务器通道
        try {
            ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()
            // 为服务器通道绑定端口
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 用户存放连接的集合
            ArrayList<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
            // 循环接收连接
            while (true) {
                // 设置为非阻塞模式，没有连接时返回null，不会阻塞线程
                server.configureBlocking(false);
                SocketChannel socketChannel = server.accept();
                // 通道不为空时才将连接放入到集合中
                if (socketChannel != null) {
                    System.out.println("after connecting...");
                    channels.add(socketChannel);
                }
                // 循环遍历集合中的连接
                for(SocketChannel channel : channels) {
                    // 处理通道中的数据
                    // 设置为非阻塞模式，若通道中没有数据，会返回0，不会阻塞线程
                    channel.configureBlocking(false);
                    int read = channel.read(buffer);//没有数据，会返回0，不会阻塞线程
                    if(read > 0) {
                        buffer.flip();
                        ByteBufferUtil.debugRead(buffer);
                        buffer.clear();
                        System.out.println("after reading");
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

这样写存在一个问题，因为设置为了非阻塞，会一直执行while(true)中的代码，CPU一直处于忙碌状态，会使得性能变低，所以实际情况中不使用这种方法处理请求

3、Selector

多路复用

单线程可以配合 Selector 完成对多个 Channel 可读写事件的监控，这称之为多路复用

多路复用仅针对网络 IO，普通文件 IO 无法利用多路复用
如果不用 Selector 的非阻塞模式，线程大部分时间都在做无用功，而 Selector 能够保证
- 有可连接事件时才去连接
- 有可读事件才去读取
- 有可写事件才去写入
  - 限于网络传输能力，Channel 未必时时可写，一旦 Channel 可写，会触发 Selector 的可写事件

4、使用及Accept事件

要使用Selector实现多路复用，服务端代码如下改进

public class SelectServer {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
        // 获得服务器通道
        try(ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open()) {
            serverChannel .bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 创建选择器
            Selector selector = Selector.open();
            
            // 通道必须设置为非阻塞模式
            serverChannel.configureBlocking(false);
            // 将通道注册到选择器中，并设置感兴趣的事件
            //返回值是当前是事件 下面的 iterator.next();
            serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            while (true) {
                // 若没有事件就绪，线程会被阻塞，反之不会被阻塞。从而避免了CPU空转
                // 返回值为就绪的事件个数
                int ready = selector.select();
                System.out.println("selector ready counts : " + ready);
                
                // 获取所有事件
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                
                // 使用迭代器遍历事件
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    
                    // 判断key的类型
                    if(key.isAcceptable()) {
                        // 获得key对应的channel
                        ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                        System.out.println("before accepting...");
                        
        				// 获取连接并处理，而且是必须处理，否则需要取消,如果不处理 会一直循环
                        SocketChannel socketChannel = channel.accept();
                        System.out.println("after accepting...");
                        
                        // 处理完毕后移除
                        iterator.remove();
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

步骤解析

获得选择器Selector

Selector selector = Selector.open();

将通道设置为非阻塞模式，并注册到选择器中，并设置感兴趣的事件
- channel 必须工作在非阻塞模式
- FileChannel 没有非阻塞模式，因此不能配合 selector 一起使用
- 绑定的事件类型可以有
  - connect - 客户端连接成功时触发
  - accept - 服务器端成功接受连接时触发
  - read - 数据可读入时触发，有因为接收能力弱，数据暂不能读入的情况
  - write - 数据可写出时触发，有因为发送能力弱，数据暂不能写出的情况

// 通道必须设置为非阻塞模式 server.configureBlocking(false); // 将通道注册到选择器中，并设置感兴趣的实践 server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

通过Selector监听事件，并获得就绪的通道个数，若没有通道就绪，线程会被阻塞
- 阻塞直到绑定事件发生
```
int count = selector.select();Copy
```
- 阻塞直到绑定事件发生，或是超时（时间单位为 ms）
```
int count = selector.select(long timeout);Copy
```
- 不会阻塞，也就是不管有没有事件，立刻返回，自己根据返回值检查是否有事件
```
int count = selector.selectNow();
```

获取就绪事件并得到对应的通道，然后进行处理

// 获取所有事件
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                
// 使用迭代器遍历事件
Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();

while (iterator.hasNext()) {
	SelectionKey key = iterator.next();
                    
	// 判断key的类型，此处为Accept类型
	if(key.isAcceptable()) {
        // 获得key对应的channel
        ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();

        // 获取连接并处理，而且是必须处理，否则需要取消
        SocketChannel socketChannel = channel.accept();

        // 处理完毕后移除
        iterator.remove();
	}
}

事件发生后能否不处理

事件发生后，要么处理，要么取消（cancel），不能什么都不做，否则下次该事件仍会触发，这是因为 nio 底层使用的是水平触发

5、Read事件

在Accept事件中，若有客户端与服务器端建立了连接，需要将其对应的SocketChannel设置为非阻塞，并注册到选择其中
添加Read事件，触发后进行读取操作

public class SelectServer {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
        // 获得服务器通道
        try(ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 创建选择器
            Selector selector = Selector.open();
            // 通道必须设置为非阻塞模式
            server.configureBlocking(false);
            // 将通道注册到选择器中，并设置感兴趣的实践
            server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            // 为serverKey设置感兴趣的事件
            while (true) {
                // 若没有事件就绪，线程会被阻塞，反之不会被阻塞。从而避免了CPU空转
                // 返回值为就绪的事件个数
                int ready = selector.select();
                System.out.println("selector ready counts : " + ready);
                // 获取所有事件
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                // 使用迭代器遍历事件
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    // 判断key的类型
                    if(key.isAcceptable()) {
                        // 获得key对应的channel
                        ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                        System.out.println("before accepting...");
                        // 获取连接
                        SocketChannel socketChannel = channel.accept();
                        System.out.println("after accepting...");
                        // 设置为非阻塞模式，同时将连接的通道也注册到选择其中
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                        // 处理完毕后移除
                        iterator.remove();
                    } else if (key.isReadable()) {
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        System.out.println("before reading...");
                        channel.read(buffer);
                        System.out.println("after reading...");
                        buffer.flip();
                        ByteBufferUtil.debugRead(buffer);
                        buffer.clear();
                        // 处理完毕后移除
                        iterator.remove();
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

删除事件

当处理完一个事件后，一定要调用迭代器的remove方法移除对应事件，否则会出现错误。原因如下

以我们上面的 Read事件 的代码为例

当调用了 server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT)后，Selector中维护了一个集合，用于存放SelectionKey以及其对应的通道

// WindowsSelectorImpl 中的 SelectionKeyImpl数组
private SelectionKeyImpl[] channelArray = new SelectionKeyImpl[8];

public class SelectionKeyImpl extends AbstractSelectionKey {
    // Key对应的通道
    final SelChImpl channel;
    ...
}

当选择器中的通道对应的事件发生后，selecionKey会被放到另一个集合中，但是selecionKey不会自动移除，所以需要我们在处理完一个事件后，通过迭代器手动移除其中的selecionKey。否则会导致已被处理过的事件再次被处理，就会引发错误

断开处理

当客户端与服务器之间的连接断开时，会给服务器端发送一个读事件，对异常断开和正常断开需要加以不同的方式进行处理

正常断开
- 正常断开时，服务器端的channel.read(buffer)方法的返回值为-1，所以当结束到返回值为-1时，需要调用key的cancel方法取消此事件，并在取消后移除该事件

int read = channel.read(buffer);
// 断开连接时，客户端会向服务器发送一个写事件，此时read的返回值为-1
if(read == -1) {
    // 取消该事件的处理
	key.cancel();
    channel.close();
} else {
    ...
}
// 取消或者处理，都需要移除key
iterator.remove();

异常断开
- 异常断开时，会抛出IOException异常，在try-catch的catch块中捕获异常并调用key的cancel方法即可

消息边界

不处理消息边界存在的问题

将缓冲区的大小设置为4个字节，发送2个汉字（你好），通过decode解码并打印时，会出现乱码

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(4);
// 解码并打印
System.out.println(StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer));

你�
��

这是因为UTF-8字符集下，1个汉字占用3个字节，此时缓冲区大小为4个字节，一次读时间无法处理完通道中的所有数据，所以一共会触发两次读事件。这就导致 你好 的 好 字被拆分为了前半部分和后半部分发送，解码时就会出现问题

处理消息边界

传输的文本可能有以下三种情况

文本大于缓冲区大小
- 此时需要将缓冲区进行扩容
发生半包现象
发生粘包现象

解决思路大致有以下三种

固定消息长度，数据包大小一样，服务器按预定长度读取，当发送的数据较少时，需要将数据进行填充，直到长度与消息规定长度一致。缺点是浪费带宽
另一种思路是按分隔符拆分，缺点是效率低，需要一个一个字符地去匹配分隔符
TLV 格式，即 Type 类型、Length 长度、Value 数据（也就是在消息开头用一些空间存放后面数据的长度），如HTTP请求头中的Content-Type与Content-Length。类型和长度已知的情况下，就可以方便获取消息大小，分配合适的 buffer，缺点是 buffer 需要提前分配，如果内容过大，则影响 server 吞吐量
- Http 1.1 是 TLV 格式
- Http 2.0 是 LTV 格式